彭小芳，王妙春，潘 娟，肖 睿

(中國人民解放軍后勤工程學(xué)院后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311)

隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等技術(shù)的飛速發(fā)展及在部隊(duì)的大量應(yīng)用，信息化和自動(dòng)化管理在軍隊(duì)中逐漸扮演起越來越重要的角色。但目前部隊(duì)大部分油庫自動(dòng)化系統(tǒng)僅局限于一個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)，形成了自動(dòng)化“信息孤島"，導(dǎo)致信息交換程度低，不利于部隊(duì)油料的供給［1］。因此，需要建立開放式的自動(dòng)化系統(tǒng)，并朝著軍隊(duì)油庫綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展［2］。S7-200系列的PLC適用于各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化，以其極高的可靠性、實(shí)時(shí)性及強(qiáng)大的通信能力被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。因此，本文采用該系列的PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)字化油庫系統(tǒng)工藝

油庫一般由罐區(qū)、公路發(fā)油區(qū)、火車裝卸區(qū)、泵房區(qū)等組成，區(qū)域間的操作需要進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交流。油庫實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化基于對以上幾個(gè)區(qū)域的控制，主要包含罐區(qū)監(jiān)控、汽車發(fā)油、火車裝卸、泵房監(jiān)控等子系統(tǒng)。數(shù)字化油庫是中國人民解放軍后勤工程學(xué)院后勤信息與軍事物流工程系開發(fā)的，以實(shí)際的油庫工藝作為模型。其主要目的是讓本專業(yè)師生能更加直觀地學(xué)習(xí)和研究我軍油庫自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)。數(shù)字化油庫總體工藝如圖1所示，主要包括以下4個(gè)子系統(tǒng):鐵路收發(fā)油子系統(tǒng)、泵房控制子系統(tǒng)、零發(fā)油灌裝子系統(tǒng)、灌區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化油庫總體工藝

鐵路區(qū)主要實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的設(shè)備控制、參數(shù)監(jiān)測和收發(fā)油作業(yè)。參數(shù)監(jiān)測主要包含閥門、潛油泵、鶴管壓力、油氣濃度、靜電接地、溢油等參數(shù)。設(shè)備的控制主要為泵和閥門的控制。

泵房區(qū)的主要任務(wù)是協(xié)助鐵路區(qū)完成相應(yīng)的鐵路作業(yè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)閥門、泵、壓力、溫度、泵電流、放空罐的液位、油溫、壓力、油氣濃度等參數(shù)的檢測，以及泵和閥門的控制等。

零發(fā)油區(qū)即汽車發(fā)油子系統(tǒng)主要進(jìn)行閥門、泵狀態(tài)、流量、壓力、溫度、靜電接地、溢油等參數(shù)的監(jiān)測及閥門、泵、電液閥的控制。作業(yè)任務(wù)為實(shí)時(shí)定量發(fā)油。

灌區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)主要任務(wù)為參數(shù)監(jiān)測和計(jì)量，協(xié)助鐵路和公路區(qū)完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。監(jiān)測參數(shù)包含液位、溫度、壓力、油氣濃度等，并根據(jù)以上參數(shù)自動(dòng)計(jì)算罐內(nèi)油品的體積和質(zhì)量。

2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了建立開放式的油庫自動(dòng)化系統(tǒng)，按照油庫業(yè)務(wù)流程和工藝需求建立控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，在每個(gè)作業(yè)現(xiàn)場各設(shè)置1臺(tái)控制器和HMI，用來完成局部作業(yè)區(qū)的測控任務(wù)。4臺(tái)控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信共同協(xié)作完成全自動(dòng)收發(fā)油作業(yè)任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，油庫統(tǒng)一建立一個(gè)集成調(diào)度指揮系統(tǒng)，對各作業(yè)區(qū)進(jìn)行任務(wù)協(xié)調(diào)。該系統(tǒng)不直接與現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)絡(luò)，而是通過與現(xiàn)場的控制器進(jìn)行通信來實(shí)現(xiàn)任務(wù)協(xié)調(diào)［1］。2種控制方式遠(yuǎn)程監(jiān)控站和現(xiàn)場HMI互為備用，以提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制器采用西門子S7-200系列的PLC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制?？刂破鞑粌H對單個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)根據(jù)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行全自動(dòng)的收發(fā)油作業(yè)。控制器既受WinCC服務(wù)器的控制，也受現(xiàn)場人機(jī)界面的控制，編程時(shí)預(yù)留了與 HMI和WinCC通信的接口。

人機(jī)界面是實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器交換的數(shù)字設(shè)備。每個(gè)區(qū)域?yàn)榱送瓿上鄳?yīng)的監(jiān)控任務(wù)，除了一個(gè)控制器外，還需設(shè)置相應(yīng)的人機(jī)交互設(shè)備。人機(jī)交互設(shè)備選用步科電氣的MT4500系列中的MT4523T人機(jī)界面，它集成了 USB、RS232、RS485接口，可直接采用 RS485接口實(shí)現(xiàn)與 PLC的通信［3］。

集成調(diào)度指揮中心以監(jiān)控站和WinCC服務(wù)器為核心。遠(yuǎn)程訪問的客戶機(jī)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)訪問WinCC服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，油庫作業(yè)信息的導(dǎo)出，以便于油庫日常信息管理。

3 各子系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求，各現(xiàn)場控制器之間須進(jìn)行現(xiàn)場通信。如在進(jìn)行鐵路收發(fā)油時(shí)，泵房及灌區(qū)必須根據(jù)工藝流程進(jìn)行相應(yīng)的泵和閥門的操作，因此各區(qū)域控制器必須協(xié)調(diào)配合，共同完成作業(yè)任務(wù)。S7-200系列PLC能在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能，它因其具有緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置、強(qiáng)大的指令集和聯(lián)網(wǎng)通信能力成為各控制應(yīng)用的理想選擇［4－5］。同時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)作為以太網(wǎng)向現(xiàn)場延伸，它有應(yīng)用廣泛、通信速率高、資源共享能力強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮膬?yōu)勢。本系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，各區(qū)域硬件配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)硬件配置表

4 PLC軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含控制方式優(yōu)先權(quán)設(shè)置、以太網(wǎng)通信、工藝流程實(shí)現(xiàn)和故障報(bào)警等。

4.1 控制方式設(shè)置

根據(jù)部隊(duì)油庫的特點(diǎn)及工藝流程要求，為了保證油料供給等作業(yè)任務(wù)的順利進(jìn)行，根據(jù)系統(tǒng)要求，控制模式分為手動(dòng)和自動(dòng)2種?？傮w設(shè)計(jì)流程見圖3。

圖3 總體設(shè)計(jì)流程

手動(dòng)控制模式可通過電氣控制柜的轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。處于手動(dòng)模式時(shí)，控制器不能進(jìn)行控制，只能進(jìn)行狀態(tài)采集。手動(dòng)模式下可通過電氣控制柜對閥門、泵等設(shè)備進(jìn)行操作，以滿足控制器出現(xiàn)故障時(shí)繼續(xù)作業(yè)及故障檢修的需要。

自動(dòng)模式中，PLC完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制，手動(dòng)操作失效。自動(dòng)控制模式又分為現(xiàn)場HMI和遠(yuǎn)程WinCC控制，這2種控制方式互鎖。如需在現(xiàn)場通過HMI進(jìn)行作業(yè)，則作業(yè)前需先進(jìn)行控制權(quán)判斷，只有在WinCC沒有控制時(shí)，HMI才能獲取控制權(quán)。因此PLC需要設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位來分別表示HMI和WinCC的控制權(quán)，即控制標(biāo)志位為“1”時(shí)取得控制權(quán)，為“0”時(shí)釋放控制權(quán)。

現(xiàn)場分為4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都設(shè)置了一個(gè)HMI進(jìn)行狀態(tài)采集、設(shè)備的控制及故障報(bào)警等操作。HMI的操作模式分為了全自動(dòng)和半自動(dòng)2種方式。半自動(dòng)方式下，通過點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備對該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制，4個(gè)區(qū)域獨(dú)立操作，互不影響;全自動(dòng)模式下，4個(gè)區(qū)域協(xié)調(diào)工作，共同完成作業(yè)任務(wù)。

4.2 以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

在數(shù)字化油庫實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置4臺(tái)PLC，進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)時(shí)，需要4臺(tái)PLC分工合作，共同完成作業(yè)任務(wù)。因此，PLC之間的通信成為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵之一。

在該項(xiàng)目中，各區(qū)域控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。每個(gè)PLC外加CP243-1以太網(wǎng)通信模塊，該模塊可同時(shí)實(shí)現(xiàn)與其他8個(gè)PLC的異步通訊，當(dāng)對應(yīng)的通道準(zhǔn)備好后，即可開始異步數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)異步傳輸內(nèi)部可根據(jù)需要定義不同的傳輸方式以傳輸不同的內(nèi)容。

以太網(wǎng)除了用于實(shí)現(xiàn)PLC之間的通信外，還用于與上位機(jī)WinCC組態(tài)軟件的通信。WinCC組態(tài)軟件通過OPC服務(wù)器訪問現(xiàn)場PLC，PLC作為Server端、上位機(jī)作為Client端訪問PLC數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置需注意:在S7-200PLC編程軟件的以太網(wǎng)向?qū)гO(shè)置S7-200站為Server、組態(tài)主站的IP地址及TSAP號，以及需要通信的Client端的IP地址及TSAP號;上位機(jī)通過在STEP7軟件中的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)里組態(tài)PC站和S7-200站之間的網(wǎng)絡(luò)連接，注意保持 S7-200站的 IP地址以及TSAP號與Server端設(shè)置的一致;打開SIEMENS網(wǎng)絡(luò)軟件SIMATIC NET OPC SCOUT，在已建立的網(wǎng)絡(luò)連接下編輯變量，變量的地址與 Server端的一致。

4.3 工藝流程的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)工藝流程包含鐵路收發(fā)油、公路零發(fā)油2個(gè)部分。本文以自動(dòng)收油為例進(jìn)行介紹。圖4為鐵路區(qū)自動(dòng)收槽車1柴油到油罐3的程序流程。

圖4 鐵路區(qū)全自動(dòng)控制流程

將全自動(dòng)、槽車1、收油、柴油、油罐3選中之后啟動(dòng)，在沒有溢油、靜電報(bào)警的情況下，若槽車1在高點(diǎn)液位或中點(diǎn)液位，系統(tǒng)將自動(dòng)開啟HV1，1#潛油泵，執(zhí)行引油灌泵動(dòng)作。當(dāng)2#自吸泵啟動(dòng)時(shí)，停止1#潛油泵，開始收油。當(dāng)槽車1在低點(diǎn)液位時(shí)，關(guān)HV1，開 HV3，啟動(dòng)1#潛油泵，執(zhí)行掃底動(dòng)作。當(dāng)槽車1為空時(shí)，關(guān)HV3，停止?jié)撚捅?，此次收油結(jié)束。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用S7-200系列的PLC作為現(xiàn)場控制器進(jìn)行油庫綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足油庫需求并能適應(yīng)油庫的未來發(fā)展需要。該系統(tǒng)已在后勤工程學(xué)院數(shù)字化油庫實(shí)驗(yàn)室建成并得到應(yīng)用。它實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理自動(dòng)化，對降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率、降低維護(hù)和管理成本都具有非常重要的意義。

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